库尔勒隧道开挖掌子面稳定性研究
朱孟艳 陈国 窦晗 谈闯
摘要：在砂質围岩地层和软弱破碎围岩中开挖隧道会引起围岩扰动卸荷并改变围岩应力状态，若变形控制不当，极易导致掌子面发生破坏。库尔勒隧道为典型的戈壁全风化砂岩浅埋隧道，下穿既有营业线，掘进施工难度大，技术复杂。采用离散元颗粒流软件PFC2D研究全断面法、双台阶法及三台阶法在库尔勒隧道开挖中的适用性，从而确定合理的开挖工法。研究结果表明：采用全断面法和双台阶法施工时，围岩变形控制能力差，塑性区分布面积较大，围岩易产生滑塌。三台阶法更适合开挖库尔勒隧道，仰拱施作后隧道衬砌结构的安全系数较大，结构内力较小。相关研究成果可为今后类似工程提供借鉴。
关键词：
隧道工程 掌子面 全断面法 两台阶法 三台阶法 变形控制
Research on Stability of Excavating Face of the Korla Tunnel
ZHU Mengyan1，2 CHEN Guo1，2 DOU Han1TAN Chuang2
（1. China Railway First Group Third Engineering Co.， Ltd.， Baoji， Shanxi Province，721006 China;2. College of Civil Engineering， Nanjing Forestry
University， Nanjing， Jiangsu Province，210037 China）
Abstract：Tunnel excavation in sandy surrounding rock strata and soft fractured surrounding rock will cause disturbance and unloading of surrounding rock and changes the state of stress distribution of surrounding rock. If the deformation is not controlled properly， it is very easy to cause damage to the tunnel face. Korla tunnel is a typical shallow buried tunnel in Gobi completely weathered sandstone. It crosses the existing business line， which is difficult to excavate and complex in technology. The discrete particles flow software PFC2D is used to study the applicability of the full face method， double-step method， three-step method in the Korla tunnel excavation， so as to determine the reasonable excavation method. It was found that when using the full face and double-step methods in the excavation， the deformation control of the surrounding rock is bad， the distribution area of the plastic area is large， and the surrounding rock is easily collapsed. The three-step method is more suitable to excavate the Korla tunnel， the safety factor of the tunnel lining structure after inverted arch construction is bigger， and the internal force of the structure is smaller. The relevant research results can provide reference for similar projects in the future.
Key Words：
Tunnel engineering;Tunnel face;Full face method;Double-step method;Three-step method;Deformation control
随着我国经济的飞速发展，人们出行的需求越来越，公路、地铁和铁路的建设如火如荼。隧道对于节约土地资源、减少线路里程以及改善行车舒适度等均具有非常重要的意义。隧道工程施工难度大、工期长、造价高，而且往往需要穿越复杂地质条件的地层，如软弱围岩、断层破碎带和富水砂层等[1-5]。对于穿越砂岩地层的浅埋暗挖隧道而言，砂层易受扰动，拱顶其施工方法的选择需要充分考虑围岩的工程地质、地下水、隧道断面大小及形状、施工机械配备能力以及工期等要求[6-8]。在隧道的开挖过程中，由于施工不当而导致的围岩松动、拱顶坍塌、地表下沉的破坏现象屡见不鲜。因此，选择科学合理的隧道开挖方法是隧道施工安全的关键，可以保证工程安全的同时缩短工期，从而降低隧道的工程造价。
1 工程概况
全长4550m的库尔勒隧道位于库尔勒火车站东侧的开发区境内，起始里程为DYK1211+700，终点里程为DYK1216+250。所在地形地貌属库鲁塔格山前冲洪积倾斜平原区，海拔高程990～1015m。全隧道浅埋，最小埋深仅6m，洞顶覆盖层为砂层，需要穿越戈壁全风化砂岩地层。隧道下穿既有铁路、公路、市政天然气管道、输油管道等结构，为Ⅱ级风险隧道。
2 掌子面穩定性
2.1 数值模型及参数
库尔勒隧道全线位于干旱区，地下水贫乏，在数值分析的过程中不考虑出现涌水的情形。全线开挖跨度约为7.16m，但为了便于建模分析计算，采用离散元颗粒流PFC2D软件分析时设定隧道开挖跨度为7.2m，这是一种偏于保守的做法。模型只有地表面为自由面外，四周通过固定墙的位移约束其变形，开挖支护采用WALL单元，忽略支护材料的力学及变形情况。假定隧道全线穿越范围内均为戈壁砂岩，其力学参数如表1所示。
通过对常见的砂岩地层隧道经常使用的全断面法、两台阶法和三台阶法进行数值模拟，从围岩裂隙、颗粒状态等角度分析评价各种方法的优缺点及在砂质围岩地层中的适用性。为便于横向比较，各施工开挖方法数值模型均采用同一断面尺寸。
2.2 全断面法
由图1可知，采用全断面法进行开挖时，掌子面围岩稳定性很差，松动区范围较大，最大处位于掌子面拱顶上方8.6m处。由图2可知，采用全断面法施工时，隧道围岩整体稳定性较差，由于原有的岩体被挖掉，导致在隧道开挖过程中，围岩将发生明显的滑塌现象，开挖无法自稳。所以，对于砂质地层隧道，采用全断面法施工围岩无法自稳，隧道施工安全性无法得到保障，所以不宜采用全断面法施工。
2.3 两台阶法
相比全断面法而言，两台阶法具有更多的作业空间和更快的施工速度。由图3可知，采用两台阶法开挖库尔勒隧道时，掌子面围岩的稳定性比全断面法有了较大的改善，松动区整体向上发展，最大处位于掌子面拱顶上方6.2m处。
分别提取进尺为0.5m、0.75m和1.0m时的隧道地层沉降结果进行对比分析。有限元模拟结果表明，当开挖面远离监测面时，地层的沉降值很小，近似可忽略不计;然而，随着开挖面距离监测面越来越近时，隧道附近围岩地层的沉降值越来越大，当开挖面到达监测面时，围岩的沉降值达到最大值。随后，开挖面越过监测面后，监测面的围岩地层沉降逐渐变小，当开挖进尺到隧道直径的一半时，变形逐渐趋于恒定值，这与现场实测结果吻合良好。此外，采用不同进尺时的隧道围岩地层的最终竖向沉降值存在较大的差异。通过现场监测到的地表沉降值可知，当进尺分别为0.5m、0.75m和1.0m时，隧道上面的砂岩地表沉降值分别为50.2、58.7和69.1mm。其中，进尺为0.5m时的隧道地层沉降值最小。
上台阶开挖后，拱顶下沉量较大，约为39.7mm，水平收敛量较小，为13.3mm;当下台阶开挖后，隧道拱顶处的下沉量变化较小，仅为48.6mm，但水平收敛量增长较快，达到46.2mm。上台阶开挖后，初期支护结构安全系数为5.3，当下台阶开挖后，拱顶处的最小安全系数为2.0，拱脚处仅为1.3。采用台阶法施工时，第一台阶施工后地表最大沉降为74mm，位于拱顶正上方，拱部最大竖向位移为107mm，底部最大隆起为91mm，围岩最大水平位移为36mm，位于初期支护两侧底角，向围岩方向扩张;围岩最大压应力出现在左右两侧底角，分别为0.82MPa，和0.85MPa，同时在两侧底角处出现应力集中，在两侧底角下部围岩内出现较大塑性区;初期支护最大弯矩出现在两侧拱腰处，约为204kN.m，最大轴力出现两侧底角处，约为750kN。第二台阶开挖后，地表最大沉降为41mm，拱部最大竖向位移为88mm，底部最大隆起为159mm，围岩最大水平位移为42mm，位于初期支护两侧底角处;围岩最大压应力约为0.91MPa，出现在隧道两侧的拱脚处，在第二台阶左右两侧及底部围岩内出现较大范围塑性区;初期支护最大弯矩出现在两侧拱腰附近，约为265kN.m，最大轴力出现在拱顶处，约为1101kN。
从台阶法施工过程的数值模拟结果分析可以看出，台阶法围岩变形控制能力差，围岩变形较大，塑性区分布面积较大。第一台阶施工产生的拱顶沉降占最终沉降量的比重最大，约为75%，整体工法控制沉降效果较差。施工中各级台阶底角处应力集中明显，塑性区分布范围较大，洞室稳定性很差。拱顶及周边围岩向隧道净空移动趋势明显，变形量大，且无减缓趋势，易诱发侵限、塌方等事故。
2.4 三台阶法
由图4可知，采用三台阶法进行开挖时，掌子面围岩稳定性较好，松动范围较小。为研究不同施工阶段的围岩和初支位移的变化规律，选取其中6个关键断面进行实时监测，主要考察拱顶沉降、周边收敛两项指标。下台阶长度为5m，中台阶长度为24m，第1个至第2个断面、第4个至第5个断面以及第5个至第6个断面的水平距离均为2.5m，而第2个至第3个以及第3个至第4个之间的距离为12m，如图5所示。随着库尔勒隧道开挖过程中的3个台阶向前推进，6个监测断面的拱顶均产生了一定的竖向沉降。当开挖至第4个监测断面时，早期的支护已经闭合成环，围岩地层的沉降值趋于恒定，1号断面监测到拱顶最终沉降值为36mm。当开挖到第2个断面时，2号监测点处的沉降值将超过1号点的沉降值，2号点的最终沉降值达38mm。各施工阶段的6个监测断面的最终沉降值均满足规范要求。
库尔勒隧道开挖过程中，围岩拱顶下沉大致经历了4个阶段：（1）环形导坑开挖后，隧道的内衬、墙壁和天棚等部位均未喷射混凝土保护层时，拱顶处的围岩下沉速度最快。（2）当开挖至中台阶时，围岩的应力再次发生重分布，此阶段的拱顶下沉速度较快，但略低于第一阶段的下沉速度。（3）在中台阶开挖结束后，随即开挖下台阶，尽管经历了前两个阶段开挖后的围岩产生了较大的不可逆变形，但此时的围岩扰动程度较小，拱顶处的围岩下沉速率非常缓慢。（4）根据新奥施工法，闭合成环初期支护约束了隧道的变形，因而此时的拱顶不再发生下沉变形。
在隧道洞室的施工过程中，围岩被逐渐挖去，这极大改变了原有土体的受力状态，洞室两侧及顶面围岩开始挤压隧道洞室，并重新形成新的受力平衡状态，最终收敛变形。这种变形过程十分复杂，形式多样。开挖扰动次数越多，围岩的稳定性越差，拱顶和地表的下沉位移越大。各断面的收敛变形与进尺的大小密切相关。4、5和6号断面的收敛变形规律性不强，但1、2和3号断面的收敛变形具有比较明显的变化规律，初期的收敛速度非常迅速，但随着隧道的掘进，收敛速度逐渐放缓，最终逐渐稳定在35mm左右，符合规范要求。分析表2数据可知：采用三台阶法对隧道开挖时，仰拱施作后隧道衬砌结构整体安全系数在2.1～4.5之间，结构内力较小，施工安全可行。
3 结语
全断面法和双台阶法开挖过程中围岩变形控制能力差，围岩变形较大，塑性区分布面积较大。库尔勒隧道采用采用三台阶法施工时的衬砌结构内力、拱顶和地表的下沉位移都在规范允许范围内。初期支护后的拱顶、左（右）拱肩、左（右）边墙以及拱底处的安全系数在2.1～4.5之间，三台阶施工法安全可行。
参考文献
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